差異升降運動的物理模擬及其對黃玨南地區(qū)構(gòu)造解釋

王彤達，戴俊生，張繼標，張振，陳紅磊，商 琳

（1.中國石化股份勝利油田分公司，地質(zhì)科學研究院，山東東營 257015；2.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院,山東青島 266555；3.中國石化股份勝利油田分公司，地質(zhì)錄井公司，山東東營 257064；4.中國石油新疆油田分公司，重油開發(fā)公司地質(zhì)研究所，新疆克拉瑪依 834000）

差異升降運動的物理模擬及其對黃玨南地區(qū)構(gòu)造解釋

王彤達1，戴俊生2，張繼標2，張振3，陳紅磊4，商 琳2

（1.中國石化股份勝利油田分公司，地質(zhì)科學研究院，山東東營 257015；2.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院,山東青島 266555；3.中國石化股份勝利油田分公司，地質(zhì)錄井公司，山東東營 257064；4.中國石油新疆油田分公司，重油開發(fā)公司地質(zhì)研究所，新疆克拉瑪依 834000）

為研究黃玨南地區(qū)阜寧組斷裂平面組合及發(fā)育順序，針對斷階帶設計了兩個系列的物理模擬實驗模型。從不同濕度的沙、黏土、沙泥混合物中優(yōu)選出干黏土作為實驗材料，詳細記錄了實驗過程，并做出相應的地質(zhì)解釋。實驗結(jié)果表明：黃玨南地區(qū)阜寧早期在拉張力的作用下形成了東西向的斷層，構(gòu)成了斷階帶的基本構(gòu)造格架，阜寧晚期在拉張力和差異升降運動的共同作用下發(fā)育了近南北向的次級斷層。另外,還討論了實驗模型的設計方法對實驗結(jié)果的影響。

高郵凹陷；斷階帶；斷裂；模擬實驗；差異升降

構(gòu)造物理模擬是探討自然界地質(zhì)構(gòu)造形成及演化的有效方法，已在構(gòu)造成因機制方面的研究中得到廣泛的應用。目前，物理模擬實驗的設計大多比較重視模型的剖面演化[1-10]，而針對平面的實驗相對較少[11-14]。黃玨南地區(qū)位于高郵凹陷南部斷階帶中，夾持在真①斷層和真②斷層之間。該地區(qū)構(gòu)造變形強烈，斷層走向復雜多變，不同規(guī)模的斷層相互疊加，導致斷層平面組合關系不明確。因此，有必要通過對該地區(qū)進行平面物理模擬實驗來重現(xiàn)構(gòu)造變形演化史，探討斷層的成因機制，分析斷層的組合關系，以實現(xiàn)本區(qū)地震剖面的精細解釋。

1 地質(zhì)概況及構(gòu)造分析

高郵凹陷在構(gòu)造上屬于蘇北盆地東臺坳陷中部一個次一級凹陷，是在始新世末的吳堡運動基礎上發(fā)展起來的，具有南斷北超、南深北淺、南陡北緩的箕狀結(jié)構(gòu)[15]。真武斷裂帶包括真①斷層、真②斷層和一些與其平行、同性質(zhì)的正斷層，是高郵凹陷的南部邊界，同時也是蘇北盆地的南部邊界斷裂帶，分隔了蘇北盆地和蘇南隆起區(qū)。真武斷裂帶的總體走向為北東-北北東向，傾向為北西向，總長度約為80 km。黃玨南地區(qū)位于真武斷裂帶的西段，是一個復雜的斷塊區(qū)（圖1）。工區(qū)內(nèi)自下而上分別發(fā)育有上白堊統(tǒng)泰州組(K2t)、古新統(tǒng)阜寧組(E1f)、始新統(tǒng)戴南組(E2d)、始新統(tǒng)三垛組(E2s)、上新統(tǒng)至中新統(tǒng)鹽城組(Ny)以及第四系東臺組(Qd)等地層。

圖1 高郵凹陷構(gòu)造區(qū)劃圖Fig.1 Structural sketch of the Gaoyou Depression

黃玨南地區(qū)T33反射層（E1f1的頂）上斷層均為正斷層，東西向和近南北向兩組不同走向的斷層構(gòu)成了該地區(qū)主要的斷裂系統(tǒng)（圖2）。分析該地區(qū)的斷層規(guī)模和走向可以看出，東西向斷層規(guī)模較大，延伸較長，而近南北向小斷層規(guī)模小，延伸距離短，且被東西向斷層限制中止。這些近南北向的次級斷層的成因問題一直沒有得到合理的解釋，給油田的生產(chǎn)實踐帶來了困難。筆者通過觀察工區(qū)東西向地震剖面的構(gòu)造解釋，提出了一種可能的解釋方案：黃玨南地區(qū)阜寧組地層在東北部是一個撓曲地段（圖3），該地段在阜寧期由于差異升降運動產(chǎn)生了一系列正斷層，其走向與撓曲面平行[16]，故應為近南北向。

圖2 黃玨南地區(qū)阜寧組地層斷裂分布Fig.2 Distribution of faults in Huangjuenan area during Funing tectonic stage

根據(jù)上述分析，黃玨南地區(qū)構(gòu)造平面特征主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）真①斷層作為一級控盆斷層，在阜寧期之前已經(jīng)存在，并作為邊界斷裂在阜寧期影響著次級斷層的發(fā)育。

（2）東西向斷層作為工區(qū)內(nèi)較大的斷層，延伸長，基本上呈平行式組合。

（3）近南北向斷層規(guī)模小，延伸短，限制中止在東西向斷層之間，且東北部發(fā)育較為密集。

本次物理模擬的對象處于阜寧期，此時整個蘇北盆地正處于伸展斷陷期間，且一級大斷層真①斷層在該地區(qū)的走向為東西向，區(qū)域應力場的方向應為近南北向的拉張。其復雜的構(gòu)造產(chǎn)狀除了受邊界斷裂影響之外，還受到差異升降運動作用的影響。通過分析現(xiàn)有的資料，結(jié)合以往物理模擬的經(jīng)驗，對其平面設計出一組沿綜合考慮拉張力和重力差異影響的實驗。

2 實驗因素的選取

2.1 模型幾何尺寸的確定

構(gòu)造模擬實驗中，模型規(guī)模應該且必須依據(jù)原形的長、寬、高按比例縮小而確定，這是提高實驗可信度和精度的重要環(huán)節(jié)之一。

實驗中確定的長、寬、高幾何尺寸相似系數(shù)必須是一致的，切不可長、寬和高各自為獨立的常數(shù)系數(shù)，否則實驗模型與原型之間構(gòu)成畸形初始狀態(tài)。同時模型的規(guī)模不宜過大或過小，過大不僅耗費實驗材料，同時施加驅(qū)動力的實驗裝置也相應地成比例增大；過小不僅實驗初始模型不易制作，同時驅(qū)動力與變形之間的關系難于表征。

黃玨南地區(qū)實際地質(zhì)模型的大小為10 km×7 km×3 km，根據(jù)經(jīng)驗長度相似因子CL＝10-5，確定此次實驗模型的規(guī)模為10 cm×7 cm×3 cm。

2.2 材料的選取

在實驗材料的選擇上，由于巖石的抗張強度比較小，各巖石間的強度相差更小，按照相似因子換算到物理模型中時基本上可以忽略，因此可以不考慮巖石層間的差異，以均勻的介質(zhì)為材料。研究表明，實驗材料中滾動顆粒（如沙）的含量增加有利于斷裂的產(chǎn)生，但不利于斷裂在平面上的保存，介質(zhì)的濕度明顯影響斷裂的發(fā)育程度，濕度大不利于斷裂產(chǎn)生。在針對平面構(gòu)造的模擬中，顆粒小、粒間吸附力大的干黏土優(yōu)于粒度較大的干沙作實驗介質(zhì)[12]。通過對泥、濕沙、沙泥混合介質(zhì)、干沙、干黏土的多次實驗對比，驗證了上述觀點，所以該實驗使用干黏土作為實驗材料。

圖3 據(jù)地震剖面解釋的黃玨南地區(qū)構(gòu)造剖面圖Fig.3 Structures of major sections in the Huangjuenan area based on seismic profile

2.3 作用時間的確定

在實驗室中按地質(zhì)歷史時期再現(xiàn)地質(zhì)運動與構(gòu)造變形是不可想象和不可能的，但卻可以從材料的應力、時間與變形的關系式中找出作用力的時間常數(shù)，從而達到實驗過程中形變與時間的對應關系與實際地質(zhì)情況相吻合。

依據(jù)實驗經(jīng)驗，選擇實驗中的1 min代表自然界中的1 Ma，即時間相似因子Ct＝10-10。本次實驗模擬從泰州組沉積初期大約27 Ma以來一系列構(gòu)造運動及變形情況，通過時間相似因子的確定，實驗大約持續(xù)27 min左右。

2.4 邊界條件的確定

研究表明邊界幾何條件和裂陷伸展方向是控制裂陷盆地伸展構(gòu)造形成特征的關鍵因素[17,18]，它不僅決定了構(gòu)造的剖面樣式，而且控制構(gòu)造的平面展布特征及三維變化規(guī)律。應依據(jù)研究區(qū)域構(gòu)造演化史和地質(zhì)背景，建立實驗模型邊界條件，并使之力求與實際地質(zhì)背景相吻合。

3 實驗模型及結(jié)果分析

3.1 基底差異沉降裂陷伸展模型

模型固定端由泥塊塑成，其邊界形狀由真①斷層簡化而來；通過與驅(qū)動端相連的基底彈性膠皮的伸展變形來實現(xiàn)蓋層變形，膠皮一端覆蓋在固定端之上，另一端與驅(qū)動端相連；在模型底部放置一個剛性塊來實現(xiàn)基底差異沉降作用，即剛性塊之上為地層相對高部位，而其他地區(qū)為低部位，中間的過渡部分作為撓曲（圖4）。

依據(jù)上述的基本設計要求，調(diào)整基底結(jié)構(gòu)特征做了多次實驗，實驗結(jié)果與工區(qū)實際情況存在明顯差異。該模型的變形主要受拉張力作用所控制，所以可以形成延伸較長的東西向斷層，且這些斷層受隆起區(qū)影響，走向上有些許改變，而且在實驗過程中能夠出現(xiàn)些許南北向小斷層，這與實際情況有一定的相符之處。但由于隆起區(qū)的位置太過固定，導致斷層無法向預期的方向展布，且近南北向斷層的發(fā)育位置與實際偏離過大。更嚴重的問題是，在撓曲部位，由于存在裂陷作用，先期形成的一些小斷層后來都被覆蓋，影響了解釋效果（圖5）。

3.2 上拱作用疊加伸展模型

3.2.1 實驗模型的設計

由于上述模型存在諸多問題，所以需要通過分析原因并加以改進。差異升降運動的關鍵問題在于地層沉積過程中在不同地區(qū)所體現(xiàn)出的垂向上的相對運動方向有所差異，故而可以考慮利用上拱力施加在地層的高部位以期達到相同的效果。根據(jù)這一設想，在第一個模型基礎上設計了一套綜合拉張作用及上拱力作用的模型（圖6）。在模型底部設計一個可自由活動的連動桿用以施加上拱力，這樣可以調(diào)節(jié)上拱力施加的部位，用上拱作用替代第一個模型中的剛性塊體，其它設計保持不變。

3.2.2 實驗過程及解釋

圖4 基底差異沉降裂陷伸展模型Fig.4 The model of differential uplifting-subsidence with rifting extension substrate

圖5 基底差異沉降裂陷伸展模型實驗結(jié)果Fig.5 The experimental results of the differential uplifting-subsidence with rifting extension substrate

圖6 上拱作用疊加伸展模型Fig.6 Unwrapping-extending model

依據(jù)之前選定的各種實驗條件進行黃玨南地區(qū)構(gòu)造物理模擬實驗，若實驗結(jié)果與實際情況不符，則需要調(diào)整上拱力施加部位，重新進行實驗。經(jīng)過反復實驗，選出一組結(jié)果最為理想的實驗，對實驗中每一步的現(xiàn)象做地質(zhì)上的對應，并給出合理的地質(zhì)解釋。其中實驗過程按時間順序分四步給出：

圖7 上拱作用疊加伸展模型實驗結(jié)果Fig.7 The experimental results of the unwrapping-extending model

（1）8 min后的模型。通過施加南北向的拉張，模型在拉張力的作用下伸展，最初沿固定端的彎曲邊界產(chǎn)生斷裂（圖7(a)、7(b)）。這一過程相當于實際地質(zhì)歷史時期中真①斷層的形成，接下來的實驗便是在真①斷層存在的情況下，模擬阜寧期黃玨南地區(qū)的構(gòu)造變形。

（2）18 min后的模型。繼續(xù)拉張，并施加輕微的上拱力，真①斷層北部產(chǎn)生了一系列東西向和近東西向的次級斷層，此時斷層規(guī)模都較小（圖7(c)、圖7(d)）。這個過程相當于阜一期的作用時間，模型中的幾條斷裂相當于真①斷層與真②斷層之間的次級斷層。由于此時沉積地層厚度相對較薄，差異升降運動并不是十分明顯，故只施加輕微的上拱力。將模型上斷裂出現(xiàn)的位置與現(xiàn)有的構(gòu)造圖進行比較可以發(fā)現(xiàn)，此時產(chǎn)生的一系列斷裂層相當于真①斷層與真②斷層之間的2號、4號、5號及6號次級斷層。

（3）23 min后的模型。持續(xù)拉張，并慢慢加大上拱力，東西向斷層繼續(xù)發(fā)育，基本上呈平行分布，斷階帶基本構(gòu)造格架形成（圖7(e)、圖7(f)）。該實驗過程對應于阜二期作用時間。從模型上可以看出，此時真①斷層與真②斷層之間的東西向斷層已經(jīng)基本全部出現(xiàn)。

（4）27 min后的模型。拉張力繼續(xù)施加的同時，加大上拱力，東西向斷層之間派生出一系列南北向小斷層，將模型分割成許多小斷塊（圖7(g)、圖7(h)）。該階段相當于阜三期和阜四期作用時間。阜寧末期的吳堡運動導致工區(qū)沉積速率大于沉降速率，地層整體抬升，差異升降運動不可忽視，故需施加較大的上拱力。隨著拉張作用和上拱力作用的不斷進行，黃玨南地區(qū)發(fā)育了許多南北向斷層，這些斷層與先期形成的東西向斷層共同將工區(qū)分割成斷塊區(qū)，黃玨南地區(qū)的構(gòu)造格架至此已經(jīng)基本形成。

3.2.3 實驗結(jié)果分析

將本實驗的模擬結(jié)果與實際工區(qū)的地質(zhì)模型進行對照，可以看出，工區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的東西向斷層在模擬結(jié)果上都得到了體現(xiàn)，近南北向的小斷層在發(fā)育位置和形態(tài)上也有一定的相似性（對比圖2）。通過物理模擬實驗總結(jié)出的工區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育特點是：（1）真①斷層早在阜寧期之前就已出現(xiàn)，并對阜寧期的斷層發(fā)育起到控制影響作用；（2）阜寧早期在拉張力的作用下形成了一系列東西向斷層，這些斷層呈平行式組合，構(gòu)成了斷階帶的基本構(gòu)造格架；（3）阜寧晚期在拉張力和差異升降運動的共同作用下發(fā)育了近南北向的小斷層，這些斷層與先形成的東西向斷層將工區(qū)分割成復雜的斷塊區(qū)。

4 結(jié)論與認識

（1）根據(jù)區(qū)域構(gòu)造分析和物理模擬實驗結(jié)果表明，黃玨南地區(qū)之所以成為一個復雜斷塊區(qū)，是由于阜寧期受到南北向的拉張和差異升降運動的共同作用。南北向的拉張產(chǎn)生了東西向斷層，而拉張力與差異升降運動共同產(chǎn)生了近南北向小斷層。

（2）通過物理模擬實驗重現(xiàn)了工區(qū)的構(gòu)造變形史，闡明了斷層形成的先后順序，并驗證了不同級別斷層的相互關系。阜寧早期，工區(qū)發(fā)育了平行組合的東西向斷層，而到了阜寧晚期，才出現(xiàn)近南北向斷層，且被東西向斷層限制中止。

（3）對于差異升降運動的構(gòu)造物理模擬實驗，若要通過直接塑造撓曲地層來實現(xiàn)，這是非常困難的。而通過對地層高部位施加上拱力來等效基底差異造成的相對運動，則比較容易實現(xiàn)，是一個行之有效的辦法。

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Physical Modeling of the Structures by Differential plifting-subsidence Movement and Its Implication for Formation of the Structures in Huangjuenan Area

WANG Tong-da1,DAI Jun-sheng2,ZHANG Ji-biao2,ZHANG Zhen3,CHEN Hong-lei4,SHANG Lin2
（1.Geological Research Institute,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying Shandong 257015,China;2.China University of Petroleum,School of Geosciences,Qingdao Shandong 266555,China;3.Geological logging company,Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying Shandong 257015,China;4.Institute of Geology Oilfield,Heavy Oil Production Company,Xinjiang Oilfield Company,China National Petroleum Corporation,Karamy Xinjiang 834000,China）

Two sets of physical simulation experiments are designed for studying the plane combination and the development sequence of the faults in Huangjuenan area during Funing tectonic stage.Dry clay is chosen as the experimental material from the sand,the clay and their mixture with moisture.It is concluded from the results of experiment that Huangjuenan area is made up of east-west faults in early Funing period because of extensional stress,which constitutes the basic structural frame of step-fault zone,and develops almost south-north small faults due to extensional stress and differential uplifting-subsidence movement in the late stage of Funing period.In addition,the influences of the design of the experimental model on the experimental results are studied.

Gaoyou Depression;step-fault zone;fault;simulation experiment;differential uplifting-subsidence

P542+.3

A

1672－4135（2011）04－0268-06

2011-05-29

國家科技重大專項“精細油藏描述技術(shù)及剩余油賦存方式研究”（2011ZX05011-001）

王彤達（1986-），男，助理工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學（華東）地質(zhì)學專業(yè)，主要從事油氣勘探方面的科研工作，E-mail：wangtongda@sina.com。